Mengapa Kuasa 3-Fasa? Mengapa Bukan 6, 12 atau Lebih untuk Penghantaran Kuasa?

Ia adalah sesuatu yang diketahui bahawa sistem fasa tunggal dan tiga fasa adalah konfigurasi paling meluas untuk penghantaran, pengagihan, dan aplikasi penggunaan akhir tenaga. Walaupun kedua-duanya bertindak sebagai rangka kerja asas bekalan tenaga, sistem tiga fasa menawarkan kelebihan yang jelas berbanding dengan reka bentuk fasa tunggal mereka.

Secara khusus, sistem multi-fasa (seperti 6-fasa, 12-fasa, dll.) mendapat aplikasi tertentu dalam elektronik kuasa—terutamanya dalam litar rektifikasi dan pemacu frekuensi boleh ubah (VFDs)—di mana ia secara efektif mengurangkan rambakan dalam keluaran DC berdenyutan. Mencapai konfigurasi multi-fasa (contohnya, 6, 9, atau 12 fasa) pada masa lalu melibatkan teknik peralihan fasa yang kompleks atau set motor-pemjana, tetapi pendekatan-pendekatan ini tetap tidak ekonomi untuk penghantaran dan pengagihan tenaga berskala besar melalui jarak yang jauh.

Mengapa Sistem Tiga Fasa Berbanding Sistem Bekalan Fasa Tunggal?

Kelebihan utama sistem tiga fasa berbanding sistem fasa tunggal atau dua fasa adalah kita dapat menghantar lebih banyak (tetap dan seragam) kuasa.

Kuasa dalam Sistem Fasa Tunggal

• P =  V . I  . CosФ

Kuasa dalam Sistem Tiga Fasa

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Atau

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Di mana:

• P = Kuasa dalam Watt

• V_L = Voltan Garis

• I_L = Arus Garis

• V_PH = Voltan Fasa

• I_PH = Arus Fasa

• CosФ = Faktor kuasa

Jelas bahawa kapasiti kuasa sistem tiga fasa adalah 1.732 (√3) kali lebih tinggi daripada sistem fasa tunggal. Dalam perbandingan, bekalan dua fasa menghantar 1.141 kali lebih banyak kuasa berbanding konfigurasi fasa tunggal.

Kelebihan utama sistem tiga fasa adalah medan magnet berputar (RMF), yang membolehkan permulaan sendiri dalam motor tiga fasa sambil memastikan kuasa dan torkan seketika yang tetap. Sebaliknya, sistem fasa tunggal tidak mempunyai RMF dan menunjukkan kuasa berdenyutan, yang membatasi prestasi mereka dalam aplikasi motor.

Sistem tiga fasa juga menawarkan kecekapan penghantaran yang lebih baik, dengan penurunan kehilangan kuasa dan penurunan voltan. Contohnya, dalam litar resistif biasa:

Sistem Fasa Tunggal

• Kehilangan kuasa dalam garis penghantaran = 18I²r … (P = I²R)

• Penurunan voltan dalam garis penghantaran = I.6r … (V = IR)

Sistem Tiga Fasa

• Kehilangan kuasa dalam garis penghantaran = 9I²r … (P = I²R)

• Penurunan voltan dalam garis penghantaran = I.3r … (V = IR)

Ditunjukkan bahawa penurunan voltan dan kehilangan kuasa dalam sistem tiga fasa adalah 50% lebih rendah daripada sistem fasa tunggal.

Bekalan dua fasa, seperti sistem tiga fasa, boleh memberikan kuasa yang tetap, menghasilkan RMF (medan magnet berputar), dan menawarkan torkan yang tetap. Namun, sistem tiga fasa membawa lebih banyak kuasa daripada sistem dua fasa kerana fasa tambahan. Ini mendorong soalan: mengapa tidak menggunakan lebih banyak fasa seperti 6, 9, 12, 24, 48, dll.? Kita akan membincangkannya secara terperinci dan menjelaskan bagaimana sistem tiga fasa boleh menghantar lebih banyak kuasa berbanding sistem dua fasa dengan jumlah wayar yang sama.

Mengapa Bukan Dua Fasa?

Baik sistem dua fasa mahupun tiga fasa boleh menghasilkan medan magnet berputar (RMF) dan memberikan kuasa dan torkan yang tetap, tetapi sistem tiga fasa menawarkan kelebihan utama: kapasiti kuasa yang lebih tinggi. Fasa tambahan dalam susunan tiga fasa membolehkan penghantaran kuasa 1.732 kali lebih banyak daripada sistem dua fasa dengan saiz konduktor yang sama.

Sistem dua fasa biasanya memerlukan empat wayar (dua konduktor fasa dan dua neutral) untuk melengkapkan litar. Penggunaan neutral bersama untuk membentuk sistem tiga wayar mengurangkan wayar, tetapi neutral harus membawa arus pulangan gabungan dari kedua-dua fasa—memerlukan konduktor yang lebih tebal (contohnya, tembaga) untuk mengelakkan panasan berlebihan. Sebaliknya, sistem tiga fasa menggunakan tiga wayar untuk beban seimbang (konfigurasi delta) atau empat wayar untuk beban tidak seimbang (konfigurasi bintang), mengoptimumkan penghantaran kuasa dan kecekapan konduktor.

Mengapa Bukan 6-Fasa, 9-Fasa, atau 12-Fasa?

Walaupun sistem multi-fasa boleh mengurangkan kehilangan penghantaran, mereka tidak diterima secara meluas kerana batasan praktikal:

• Kecekapan Konduktor: Sistem tiga fasa menggunakan sedikit konduktor (3) untuk menghantar kuasa seimbang, manakala sistem 12-fasa memerlukan 12 konduktor—menggandakan kos bahan dan pemasangan empat kali ganda.

• Pengurangan Harmonik: Sudut fasa 120° dalam sistem tiga fasa secara semula jadi mencancel arus harmonik ketiga, menghapuskan keperluan untuk penapis kompleks yang diperlukan dalam susunan multi-fasa yang lebih tinggi.

• Kesukaran Sistem: Sistem multi-fasa yang lebih tinggi memerlukan komponen yang direka semula (transformer, pemutus litar, switchgear) dan substesen yang lebih besar, meningkatkan kekompleksan reka bentuk dan beban penyelenggaraan.

• Batasan Praktikal: Motor dan pemjana dengan lebih daripada tiga fasa lebih besar dan lebih sukar untuk didinginkan, sementara menara penghantaran memerlukan ketinggian yang lebih besar untuk menampung lebih banyak konduktor.

Kelebihan Sistem Tiga Fasa

Sistem tiga fasa mencapai keseimbangan yang optimum:

• Mereka menghantar 50% lebih banyak kuasa daripada sistem fasa tunggal dengan konduktor yang sama, meminimumkan kehilangan.

• Konfigurasi fasa 120° menyeimbangkan beban dan mengurangkan harmonik tanpa kekompleksan tambahan.

• Mereka menyesuaikan diri dengan kedua-dua susunan delta (beban seimbang) dan bintang (beban tidak seimbang), menyokong pelbagai keperluan kuasa.

Sistem multi-fasa yang lebih tinggi menawarkan hasil yang semakin berkurang—setiap fasa tambahan meningkatkan kos secara eksponensial sambil memberikan manfaat marginal. Oleh itu, teknologi tiga fasa kekal menjadi piawaian global untuk penghantaran tenaga, mengimbangi kecekapan, kesederhanaan, dan kelayakan ekonomi.